复合钢板焦炭塔焊接的研究

向 武

天津冠杰石化工程有限公司 天津 300270

随着我国石化行业的发展，大型石油石化项目不断出现，大型乙烯炼油等项目更是如雨后春笋一般涌现，我公司作为一个石化设备制造企业，伴随着这股浪潮一起成长一起壮大。

近几年来，我公司承揽了几个大型炼油项目的焦炭塔设备的预制和安装工程，因此我有机会接触到焦炭塔用复合板的焊接方面的工作，遇到了不少相关的问题。从遇见问题到解决问题，我和相关人员做了大量的研究和探讨，结合实验和实际施工，对焦炭塔用复合板15CrMoR+410S的焊接进行了整理和总结，解决了施工过程中遇到的问题，为以后对相同和类似的材质的焊接提供了合理的试验和理论依据。

1 设备及焊接方法介绍

1.1 设备介绍

该设备为中石化广州分公司委托我公司制造的两台焦炭塔。这两台焦炭塔的主体材料分为两部分，下部分为15CrMoR材质，上部分为15CrMoR+410S复合板材质，上封头也为相同复合板材质，形状为半球形。球形封头的预制采用分片预制，然后在工厂进行拼装焊接。封头制造焊接在整个焦炭塔的制造焊接中是制造的重点和难点，具有很强的代表性。所以，这里我们就以这两台焦炭塔上球形封头的预制、拼装和焊接工作为基础做详细研究和讨论。

1.2 焊接工艺方法

图1 焦炭塔复合板焊接坡口图

整个设备制造主要焊接方法为手工电弧焊。

下部分材质的焊接采用的是R307BL焊材焊接，上部分采用基层采用R307BL焊接，复层堆焊ENiCrFe-3的焊接方法。焊接完成后进行100%RT和100%PT检测，检测合格后对内外表面进行打磨平整，在整体热处理之后进行PT复验。焊接坡口为外坡口和内切削过度边后堆焊复层焊道。见图1。

预制焊接时制定的焊接工艺见表1。

该焊缝焊接时还要做好预后热工作，要求焊前预热160～232℃，层间温度≤232℃，后热温度350～400℃/2h，复层焊接时层间温度的控制是整个焊接过程的关键。

表1 焦炭塔用复合钢板焊接工艺

2 预制、焊接结果与分析

2.1 预制安装、焊接及检验介绍

上球型封头的预制为散片预制，待整个球型封头的在拼装完成后进行焊接，焊接顺序为先焊接极边板之间的拼缝，等极边板焊接成型之后切割出极盖板的位置，而在此之前极盖板为单独制作，之间的拼缝也是在单独制作的过程中焊接完成的，待极盖板和极边板各自制作完成之后最后拼接二者之间的环形拼缝，然后对拼缝进行焊接，焊接完成及检验合格后，整个球型封头的施工就宣告结束。

除去施工过程中的检测，焊接完成之后，热处理之前的无损检测主要包括两个方面，首先是对整体焊道的射线探伤检查（100%RT），待焊道射线检测合格之后再对所有焊道进行打磨平整处理，待复层打磨与母材平整之后，要求焊道表面无咬边，低洼，无表面气孔等表面缺陷，再对复层堆焊表面进行全面积渗透检测（100%PT），两个步骤的检测均合格之后，该条焊缝的焊接质量第一阶段才算合格。最后整体交付下道工序进行施工，最终成型之后对设备进行整体热处理，热处理之后所有焊道再进行100%PT复验。该设备基本就制造完成。我们今天讨论的是球形封头的单独制作，暂不考虑主体的施工。

2.2 检验结果

所有焊道进行100%RT检测之后，一次性焊接合格率维持在93%左右，未达到公司96%的指标要求，主要焊接缺陷为裂纹，个别为夹渣、气孔、未熔等其他缺陷。

所有焊道的复层表面进行100%PT检测之后，表面缺陷出现的比较多，缺陷的总长度大约占到焊道总长度的10%左右，缺陷类型主要是裂纹，其他缺陷基本上出现的较少。裂纹的样式以表面微裂纹和龟裂为主，其中表面微裂纹占据多数，裂纹大多集中在堆焊焊道中心和融合线部分，而热影响区的出现裂纹较少。

从焊缝类型上分类，裂纹主要集中在极边板拼缝，而极盖板拼缝中出现裂纹缺陷的地方并不是很多，而且极边板拼缝中裂纹也主要集中在个别几条焊缝中，且位置相对集中。

2.3 焊接质量及焊道缺陷分析

针对焊接后检测结果，对该设备的焊道进行了试板的模拟焊接，模拟设备的加工过程和焊接过程，以及最后的热处理过程，甚至模拟了焊道周围材料的外观形状。然而模拟试板的焊缝并未出现明显的焊接缺陷，即使出现个别细小的裂纹，缺陷的去除和修复也相对比较容易，并未出现设备封头焊接时遇到的大面积微裂纹现象。这就说明整个焊接的施焊工艺是不存在问题的。影响焊接质量的主要原因应该是焊接外界条件的影响。

重新对整个预制和焊接过程进行了分析和研究。分析之后发现裂纹缺陷都是复层表面微裂纹和龟裂，还有打磨之后深度在2～3mm的过渡层中出现的线状裂纹，这些细小的浅层裂纹在射线检测的过程中比较难被发现，在探伤底片中体现的并不明显，这就是RT合格率比PT检测合格率高的原因所在。而且，在焊道打磨的过程中因打磨局部热量较高，加上复层表面为奥氏体组织，不利于热量的散发，使得原先有的这种微型裂纹缺陷有随热量扩散的趋势。因而造成裂纹缺陷在个别区域和位置表现相对明显。另外，裂纹集中区域为收口板焊缝，其组对间隙相对较大。正由于间隙较大，为了尽量减小组对间隙，该收口焊缝的组对应力比一般的焊缝的组对应力要大。另外，缺陷主要集中在焊道和融合线位置，本应性能相对较差的热影响区处出现裂纹缺陷的数量反而较少，这最主要的原因应该取决于组织的类型，在裂纹集中的部分均为奥氏体组织，热影响区主要是铁素体组织（复合层材质为410S），产生裂纹的倾向不大。

综上分析，大概可以把产生裂纹的主要原因归结为以下几个原因：

（1）由于焊道所用焊材为ENiCrFe-3，而基层为15Cr-MoR材质，焊接之后复层焊道组织主要为奥氏体组织，且焊道堆焊复层主要成分为镍和铬，而基层焊道主要是铁素体组织。镍基耐蚀合金特点与奥氏体不锈钢基本相似，主要存在较高的热裂纹敏感性（包括结晶裂纹、液化裂纹和高温失效延迟裂纹）以及焊接气孔和焊接接头晶间腐蚀倾向等问题。镍基耐蚀合金的焊接热裂纹敏感性比高镍铬奥氏体不锈钢高，且在弧坑易产生火口裂纹（结晶裂纹）。

镍基耐蚀合金焊接时不宜采用高焊接热输入，否则会在焊缝热影响区产生一定程度的退火和晶粒长大。同时，由于焊接热输入高，还可能会产生过度的偏析以及碳化物沉淀或其他有害的冶金缺陷，引起热裂纹或降低合金的耐蚀性。加之奥氏体组织的热量散失较慢，产生的裂纹极易出现扩展，从而出现大面积集中裂纹的现象。

（2）此设备的材料为复合板，材质为15CrMoR+410S，焊道的基层和复层材质的性质相差很大，焊接时的膨胀系数不一致，因而造成焊接时产生的收缩应力很大。更加容易导致焊接裂纹的产生。加之基层焊接时需要进行预后热，而复层焊接时却又需要严格控制焊接温度。造成基层和复层之间的过渡层晶粒结构比较复杂，施工工艺难以控制的情况，所以过渡层出现裂纹的倾向性大大增加，这与检测结果也是吻合的。

（3）组对间隙较大，组对应力大，焊接应力就相应增大，产生裂纹的倾向性也就更大。这就是为什么模拟试板焊接质量好，而实际设备的焊接质量相对较差的缘故。模拟试板的焊缝在焊接时处在一个自由收缩的状态，基本上不存在太大的组对应力，而且组对时焊缝的间隙较好，因此焊接时产生的焊接应力较小，且自由收缩的状态也有利于焊接应力的释放。基于这个实验，再结合设备在焊接时，裂纹集中出现的焊道位置为收口板位置等现象，可以推断出设备焊道产生裂纹的又一主要原因就是焊缝的焊接应力。

（4）焊道焊接完成之后要进行整体打磨平整，打磨的过程中，所有复层焊道都相当于对局部进行再加热的过程，局部的加热，使得原有的裂纹得到了扩展，进而增加了表面裂纹的数量和面积，增加了裂纹的严重程度。

以上归纳和总结了产生裂纹的主要因素，结合具体的施工环境，为制定切实合理的施工方法和程序提供了依据。

3 优化工艺措施及施工

3.1 优化组装工艺

制造工艺相对比较成熟，封头制作时，在组装极边板的过程中应严格要求组对尺寸，特别是最后收口板的组装尺寸，减小收口板焊缝的组对间隙，控制收口板的焊缝尺寸。小的焊道宽度意味着小的焊接应力。因为收口板的收缩是在非自由状态，收缩时受到整体形状的限制，越小的焊缝尺寸能把这种局限力对焊道的影响降低到最小水平；在降低最后收口焊缝的组对尺寸的同时，对收口板的外形尺寸提更高的要求，减少相邻两块板的相对位置差，尽量避免强力组对该焊缝的情况出现。

3.2 优化预后热工艺

以前的焊道预热为小面积带状预热，优化后的预热工艺为面型预热，也就是在焊接之前的预热过程中，增加预热宽度和长度，由原来一块加热片覆盖焊道两侧的预热方式，改作两块加热片平行覆盖焊道两侧同时进行预热，预热宽度增加到400mm，且预热时应覆盖到整个焊道的长度。大的预热面积有利于消除焊道处的局部应力，有利于焊接焊道的收缩和焊接应力的释放，与此同时还能减少起弧裂纹产生的倾向性。同样，后热的面积也要增加，而且后热工作要及时，在焊接完成之后及时对焊道和周边尽可能大的面积进行后热，后热的具体方法与预热方法相同。只有及时的后热工作才能在第一时间释放出焊道中的部分焊接应力，最大程度减少裂纹产生的可能。

3.3 优化焊接施工

由于该球型封头的焊接特殊性，大部分焊接位置为立缝焊接，立缝焊接时焊接速度慢，焊接熔池深，同样焊接的线能量要大很多，而奥氏体焊材最忌讳的就是大的焊接线能量，所以在以后的焊接中要严格控制焊接的线能量。为了尽可能的减少焊接是的线能量，所有的焊道的焊接位置都要尽量满足平焊位置或者近似平焊位置的要求。

焊接层间温度≤232℃，是一个必须严格控制的焊接参数，这个参数控制的好坏直接影响到最后的缺陷的产生。在焊接的整个过程中，要做好严格的监督和检测，才能为焊道的焊接质量打好基础。

焊接顺序上，已经不能按照逐道的焊接顺序，而改作基层焊接和复层焊接分别在不同施工时间段施工。其中基层焊接为立缝焊接，因为在基层焊接之前设备整体结构是不稳定结构，其他位置施工的位置要求是无法满足的。焊接过程中，焊接工艺要求要严格执行，严格控制焊接速度，采用排焊的焊接方法，减少焊接线能量，减少焊接过程中应力的产生。在基层焊接完成之后，整体结构才能够得以稳定。在焊接复层时，能够满足位置变化的要求，遂对所有焊缝复层焊接位置改为平焊位置或近似平焊位置。因为平焊的位置焊接，焊接线能量小，且焊道成型效果好，在提高焊接质量的同时，能有效地控制焊接余高，尽可能地减少焊后的焊道打磨量。若要达到这样的条件就要求起重吊装做好配合工作，不断地变换设备的位置和摆放方式以满足焊接位置的要求。且在焊接时同样必须采用多层多道焊接，严格控制焊接顺序和线能量，严格控制层间温度，只有保证正确的焊接顺序和方法，才能够保证优越的焊道性能。

在焊接时，应该选择质量优秀的焊材。因为焊材的质量优劣对焊接质量有着直接的影响。好的焊接材料不但能够提高焊接内在质量还能够提高焊接外观质量，进而减少焊道打磨量，为后续工作打好基础。

3.4 优化打磨工艺

为了减少打磨时在热裂纹的产生和原有裂纹的扩展，原有的焊道打磨工艺也要做相应的改变。原有的打磨工艺为分段打磨。分段打磨时，打磨点的热量太过集中，而且打磨点的温度很高，而焊道的主要成分为镍和铬，热传导性能比较差，使得热量集中情况严重，对焊道质量的控制是个严重威胁。修改之后的焊道打磨工艺要求打磨时分多层多道打磨，且采用不锈钢专用砂轮片进行打磨，打磨的砂轮机切削量要求不能太大，控制每层打磨时打磨点温度，有必要时可做一些降温措施。这时可以看出焊接时控制焊接余高的重要性，只有低的焊接余高才能够尽量减少焊道的打磨量，间接提高合格率。

3.5 优化热处理工艺

焦炭塔设备要求整体进行焊后热处理，考虑到封头焊接时焊接应力太大的缘故，将焊道的焊接分两步进行，增加一次封头整体热处理施工。

首先，将整个封头焊道的基层焊接完成，此时增加一道封头整体热处理工序，热处理工艺可以参照焦炭塔设备整体热处理工艺要求。此道热处理工序的目的是消除封头基层的压制及焊接应力，给复层焊接提供一个比较好的，内部应力相对较小的焊接环境，

从而达到减少焊接裂纹的效果。

在基层焊接完，热处理之后，再进行复层的焊接，复层焊接时严格控制焊接输入线能量，控制层间温度，采用多层多道焊的方法。且特别注意的是，焊接过渡层时也需要进行焊道的预后热，预后热要求与基层焊接时相同。而复层焊接时则不需要，整个焊接过程中，多停顿，多检测，有缺陷及时修复，方可有效地保证最终的焊接质量。

3.6 其他优化要求

除去以上四项优化措施以外，还有一些其他的非主要原因也应做适当优化，这样才能最大程度上控制缺陷的产生，提高焊接质量。例如，改善施工环境，减少环境中对复层焊道的污染；在使用焊材时注意对焊材的保护，防止焊材被污染和潮湿；另外，由于焊接过程中的检验要求比较多，每次检验完成之后都要对焊道残留的检验试剂进行清理，类此等等，尽量消除一切能够消除的可能影响焊接质量的不利因素。多方面条件的改善才能使得焊接质量达到理想的要求。

4 结语

经过以上一系列的制造工艺及焊接工艺等措施的改善，焊接环境有了较大的提高，按照新的综合要求进行焊接的焊缝在缺陷产生的面积和数量上都得到了很好的控制，焊缝射线检测（RT）一次性合格率达到了98%以上，表面渗透检测（PT）缺陷出现的数量已经有了明显的减少，表面的裂纹也是极个别的现象，而且缺陷的严重程度也得到了很好的控制，裂纹缺陷也不再是成片集中出现，仅是个别细小的缺陷，能很好地得到修复，表面焊接质量也达到了要求。

改善施工环境，严格执行焊接工艺，增加预后热面积，保护好焊缝表面质量，改进打磨方法等等，通过这一系列的措施和方法的实施，在改善15CrMoR+410S复合材料的焊接时质量达到了预想的效果，提高了焊接生产效率，也提高了焊接质量。这一系列的施工流程和方法，都得到了推广和学习。

随着公司的发展，在今后的工作中，焦炭塔的制作焊接，或者类似材质的制作焊接的任务一定会源源不断，在我们解决了这个难题的同时也使得我公司在相关设备上施工能力得到了很大的提升，也为以后的新材质，新设备的施工提供了一个严谨合理的解决问题的思路和方法。

1 周振光.焊接冶金学（金属焊接性）.北京：机械工业出版社，2005.

2 王全娟，郑会娥.中石化广州分公司焦炭塔球形焊接工艺.天津冠杰石化工程有限公司，2008.

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4 王国璋，胡安定.压力容器焊接使用手册[M].北京：中国石化出版社，2013.